सौर विंडोज में उन्नत लाइट मैनेजमेंट के लिए कोटिंग्स का विकास करना

सौर विंडोज में लाइट मैनेजमेंट का विज्ञान

सौर खिड़कियां भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स (बीआईपीवी) में एक सफलता का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो प्राकृतिक डेलाइट को संरक्षित करते समय बिजली उत्पन्न करने के लिए साधारण ग्लास सतहों को सक्षम करती हैं। चुनौती सौर स्पेक्ट्रम को नियंत्रित करने में निहित है: दृश्य प्रकाश (400-700 एनएम) को रोशनी के लिए गुजरना चाहिए, जबकि निकट अवरक्त (एनआईआर) और पराबैंगनी (यूवी) तरंग दैर्ध्य - जो दिन के प्रकाश में थोड़ा योगदान करते हैं लेकिन हीटिंग और सामग्री में गिरावट का कारण बनता है - प्रबंधित किया जाना चाहिए। प्रभावी प्रकाश प्रबंधन विशेष ऑप्टिकल कोटिंग्स के माध्यम से प्राप्त किया जाता है जो चुनिंदा रूप से विशिष्ट तरंगदैर्ध्य बैंड को प्रेषित, प्रतिबिंबित या अवशोषित करता है। इन कोटिंग्स को नैनोस्केल पर प्रकाशों में हेरफेर करने के लिए इंजीनियर किया जाता है, जिससे ऊर्जा रूपांतरण क्षमता को आराम प्रदान किया जाता है।

कीट कोटिंग टेक्नोलॉजी

विरोधी चिंतनशील कोटिंग्स

एंटी-रिफ्लेक्टिव (AR) कोटिंग सतह प्रतिबिंब को कम करती है, जिससे खिड़की में प्रवेश करने के लिए अधिक प्रकाश की अनुमति मिलती है। सौर खिड़कियों के लिए, इसका मतलब उच्च दृश्य संप्रेषण है और फोटोन प्रवाह फोटोवोल्टिक परत तक पहुंच गया। मानक AR कोटिंग्स सिलिकॉन नाइट्राइड या मैग्नीशियम फ्लोराइड जैसी सामग्रियों की क्वार्टर-वेव हस्तक्षेप परतों का उपयोग करते हैं। हाल के अग्रिमों में नैनोसंरचना वाले मोथ-आई पैटर्न को रोजगार दिया जाता है जो पूरे दृश्य स्पेक्ट्रम में ब्रॉडबैंड एंटी-रिफ्लेक्शन प्रदान करते हैं। ये कोटिंग बिना लेपित ग्लास की तुलना में 3-8% तक प्रकाश संचरण को बढ़ा सकते हैं, सीधे डेलाइटिंग और सौर सेल प्रदर्शन दोनों में सुधार कर सकते हैं।

वर्णक्रमीय रूप से चयनात्मक कोटिंग

वर्णक्रमीय रूप से चयनात्मक कोटिंग्स को इन्फ्रारेड और पराबैंगनी विकिरण को प्रतिबिंबित या अवशोषित करते समय दृश्य प्रकाश को प्रसारित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह कई पतली फिल्म स्टैक का उपयोग करके पूरा किया जाता है जो ऑप्टिकल फिल्टर के रूप में कार्य करते हैं। उदाहरण के लिए, ढांकता हुआ धातु-डायलेक्ट्रिक (DMD) स्टैक चांदी या तांबे की परतों का उपयोग करके पारदर्शी ऑक्साइड जैसे कि इंडिअम टिन ऑक्साइड (ITO) या जिंक ऑक्साइड दृश्य संचरण को प्राप्त कर सकते हैं> 70% तक एनआईआर के 90% तक प्रतिबिंबित करते हुए। ऐसी कोटिंग "कोल" सौर खिड़कियों को बनाने के लिए केंद्रीय हैं जो आंतरिक स्थानों को अति ताप के बिना बिजली उत्पन्न करती हैं।

कम-Emissivity (Low-E) कोटिंग्स

कम ई कोटिंग पहले से ही थर्मल इन्सुलेशन के लिए ऊर्जा कुशल खिड़कियों में आम हैं। सौर खिड़कियों में, वे एक दोहरी भूमिका निभाते हैं: आंतरिक और बाहरी के बीच विकिरणीय गर्मी हस्तांतरण को कम करते हैं, और सौर ताप लाभ गुणांक (SHGC) का प्रबंधन करते हैं। शीतल-कोट कम ई परतें, आम तौर पर चांदी आधारित, स्पटरिंग के माध्यम से जमा की जाती हैं और दृश्य प्रकाश संचरण की अनुमति देते हुए लंबे समय तक चलने वाले इन्फ्रारेड को प्रतिबिंबित करने के लिए तैयार की जा सकती हैं। जब फोटोवोल्टिक परतों के साथ संयुक्त हो जाता है, तो ये कोटिंग गर्मी में गर्मी को रोकती हैं और गर्मियों में अतिरिक्त सौर गर्मी को अवरुद्ध करती हैं, जिससे खिड़की के समग्र ऊर्जा संतुलन में सुधार होता है।

फोटोवोल्टिक कोटिंग

फोटोवोल्टिक (PV) कोटिंग सीधे खिड़की की सतह पर बिजली में परिवर्तित हो जाती है। ये कोटिंग आमतौर पर पतली फिल्म प्रौद्योगिकियों जैसे कि असंगत सिलिकॉन, कैडमियम टेल्यूराइड, या तांबे के इंडिनियम गैलियम सेलेनाइड (CIGS) पर आधारित होती हैं। उभरते हुए समाधानों में कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स (OPV), डाई-सेंसिटाइज्ड सौर कोशिकाओं (DSSC), और perovskite पतली फिल्मों पर आधारित होते हैं। Perovskite कोटिंग्स, विशेष रूप से, ने बिजली रूपांतरण क्षमता को 20% से अधिक हासिल किया है जबकि मोटाई नियंत्रण और संरचना इंजीनियरिंग के माध्यम से आंशिक पारदर्शिता बनाए रखी है। क्वांटम डॉट कोटिंग ट्यूनेबल बैंडगैप प्रदान करती है, जो एनआईआर ट्रांसपेरेंटिक प्रकाश के लिए अर्ध-ट्रांसेस का चयनात्मक अवशोषण को सक्षम करती है।

कोटिंग विकास में हाल के नवाचार

नैनो संरचित बहुपरत डिजाइन

नैनोटेक्नोलॉजी ने बहुपरत कोटिंग्स के निर्माण को ठीक नियंत्रित मोटाई (10-200 एनएम) के साथ सक्षम किया है जो रचनात्मक और विनाशकारी हस्तक्षेप के माध्यम से प्रकाश को हेरफेर करता है। परमाणु परत जमावट (ALD) या मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग का उपयोग करके, शोधकर्ता जटिल वर्णक्रमीय प्रतिक्रियाओं को प्राप्त करने के लिए दर्जनों परतों तक स्टैक कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक कोटिंग जिसमें वैकल्पिक TiO2 और SiO2 परतें दृश्य में पारदर्शी होने के दौरान NIR के लिए एक ब्रेक मिरर के रूप में कार्य कर सकती हैं। पतली फिल्म पीवी परतों के साथ ऐसे ऑप्टिकल स्टैक का संयोजन एक बहुकार्यात्मक कोटिंग बनाता है जो सौर ऊर्जा की कटाई करता है, गर्मी लाभ को नियंत्रित करता है, और विरोधी प्रतिबिंब प्रदान करता है।

स्वयं सफाई कोटिंग

धूल, मिट्टी और जैविक विकास समय के साथ सौर खिड़कियों के प्रदर्शन को कम करते हैं। स्व-सफाई करने वाले कोटिंग्स को फोटोकैटेलिसिस या सुपरहाइड्रोफिलिसिटी का उपयोग करके इस पते पर संबोधित करते हैं। टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) कोटिंग्स, उदाहरण के लिए, यूवी प्रकाश के तहत कार्बनिक गंदगी को तोड़ दें और पानी को समान रूप से फैलने का कारण बनता है, मलबे को धोना। फ्लोरीनेटेड पॉलिमर या नैनो संरचित सिलिका रीपल वॉटर पर आधारित सुपरहाइड्रोफोबिक कोटिंग और गंदगी के आसंजन को कम करता है। ये कोटिंग रखरखाव लागत को कम करते हैं और लगातार प्रकाश संचरण और पीवी आउटपुट को बनाए रखने में मदद करते हैं, जो दीर्घकालिक प्रणाली विश्वसनीयता के लिए महत्वपूर्ण है।

थर्माक्रोमिक और इलेक्ट्रोक्रोमिक कोटिंग

अनुकूली कोटिंग जो तापमान या विद्युत उत्तेजना का जवाब देते हैं, अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है। थर्मोक्रोमिक कोटिंग्स, जैसे वैनेडियम डाइऑक्साइड (VO2) पर आधारित, पारदर्शी से अपारदर्शी तक स्विच करें या प्रतिबिंबित जब एक थ्रेसहोल्ड तापमान पहुंच जाता है, तो दृश्य प्रकाश की अनुमति देते हुए गर्म अवधि के दौरान एनआईआर को अवरुद्ध करें। इलेक्ट्रोक्रोमिक कोटिंग, टंगस्टन ऑक्साइड जैसी सामग्रियों का उपयोग करके, एक छोटे वोल्टेज को लागू करके मांग पर गहरा या हल्का किया जा सकता है। पीवी परतों के साथ इन को एकीकृत करने से स्मार्ट सौर खिड़कियां बनती हैं जो गतिशील रूप से प्रकाश प्रबंधन को अनुकूलित कर सकती हैं, ऊर्जा उत्पादन और इनडोर आराम दोनों में सुधार कर सकती हैं।

कोटिंग विकास में चुनौतियां

संतुलन क्षमता और पारदर्शिता

एक मौलिक व्यापार बंद फोटोवोल्टिक दक्षता और दृश्य पारदर्शिता के बीच मौजूद है। बिजली उत्पन्न करने के लिए, पीवी कोटिंग को फोटोन को अवशोषित करना चाहिए, जो स्वाभाविक रूप से संचारण को कम करता है। इष्टतम संतुलन प्राप्त करना - धीरे-धीरे 20% और 50% के बीच दृश्य संप्रेषण और उचित दक्षता - अवशोषक मोटाई, बैंडगैप और लाइट ट्रैपिंग की सावधानीपूर्वक इंजीनियरिंग की आवश्यकता होती है। अर्ध पारदर्शी perovskite और क्वांटम डॉट डिजाइन वादा दिखाते हैं, लेकिन इन को बड़े क्षेत्र की खिड़कियों में स्केल करना चुनौतीपूर्ण रहता है।

स्थायित्व और मौसम प्रतिरोध

सौर खिड़कियां यूवी विकिरण, तापमान साइकिलिंग, आर्द्रता और यांत्रिक तनाव के संपर्क के वर्षों का सामना करना चाहिए। पतली फिल्म कोटिंग अलग-अलग, ऑक्सीकरण और नमी प्रवेश के लिए अतिसंवेदनशील हैं। शोधकर्ता जीवन भर के विस्तार के लिए encapsulation रणनीतियों, बाधा परतों और hermetic सील की खोज कर रहे हैं। त्वरित परीक्षण मानकों जैसे आईईसी 61646, विश्वसनीयता का मूल्यांकन करने में मदद करते हैं, लेकिन वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन डेटा अभी भी कई उभरते कोटिंग प्रौद्योगिकियों के लिए सीमित है।

सौंदर्यशास्त्र और बाजार स्वीकृति

वास्तुशिल्प एकीकरण के लिए, कोटिंग्स को दृष्टि से समान, रंग-न्यूट्रल (या सौंदर्यवादी रूप से मनभावन) होना चाहिए, और स्टेकिंग या आइरिड्सेंस से मुक्त होना चाहिए। मल्टी लेयर स्टैक हस्तक्षेप रंगों का उत्पादन कर सकते हैं जो अवांछनीय हो सकते हैं। तटस्थ स्वर या विशिष्ट रंग पैलेट प्राप्त करने के लिए ट्यूनिंग लेयर मोटाई एक चल रही चुनौती है। बिल्डिंग मालिकों और आर्किटेक्ट अक्सर ऊर्जा प्रदर्शन पर सौंदर्यशास्त्र को प्राथमिकता देते हैं, इसलिए कोटिंग जो दोनों को बाजार में अपनाने के लिए आवश्यक हैं।

विनिर्माण लागत और स्केलेबिलिटी

उच्च प्रदर्शन कोटिंग अक्सर वैक्यूम जमा तकनीक (स्प्लटरिंग, वाष्पीकरण, एएलडी) पर निर्भर करती है जो महंगा और सीमित हैं। रोल-टू-रोल प्रोसेसिंग, रासायनिक स्नान जमावट, और इंकजेट प्रिंटिंग को लागत को कम करने के लिए विकसित किया जा रहा है। उदाहरण के लिए, प्रतिओस्काइट पीवी परतों की स्लॉट-डी कोटिंग को फ्लोट ग्लास उत्पादन के साथ संगत गति से ग्लास सब्सट्रेट पर प्रदर्शित किया गया है। बड़े क्षेत्रों (जैसे, 1.5 मीटर × 2 मी) पर लगातार गुणवत्ता हासिल करना बिना पिनहोल या मोटाई भिन्नता वाणिज्यिक व्यवहार्यता के लिए महत्वपूर्ण है।

भविष्य निर्देश

बहुक्रियाशील कोटिंग

अंतिम लक्ष्य सभी आवश्यक कार्यों को एकीकृत करना है - प्रकाश प्रबंधन, ऊर्जा उत्पादन, थर्मल नियंत्रण, स्वयं सफाई और सौंदर्यशास्त्र - एक एकल कोटिंग स्टैक में। अनुसंधान "सभी में एक" डिज़ाइन की ओर बढ़ रहा है जो एक वर्णक्रमीय चयनात्मक फ़िल्टर, एक अर्ध-पारदर्शी perovskite सेल, एक विरोधी प्रतिबिंब परत और एक स्वयं सफाई शीर्षकोट को जोड़ती है। इस तरह की कोटिंग विनिर्माण को सरल बनाती है और इंटरफेस की संख्या को कम करती है, स्थायित्व में सुधार करती है। प्रारंभिक प्रोटोटाइप से पता चला है कि परतों के बीच सावधानीपूर्वक ऑप्टिकल मिलान व्यापार-बंद को कम करते समय प्रदर्शन को बनाए रख सकती है।

बिल्डिंग एनर्जी सिस्टम के साथ एकीकरण

भविष्य की सौर खिड़कियां स्मार्ट बिल्डिंग एनर्जी मैनेजमेंट सिस्टम का हिस्सा होंगी। एम्बेडेड सेंसर और माइक्रोकंट्रोलर परिवेश प्रकाश, अधिभोग और ग्रिड की मांग के आधार पर इलेक्ट्रोक्रोमिक कोटिंग को समायोजित कर सकते हैं। उत्पन्न बिजली सीधे विद्युत चुम्बकीय स्विचन को शक्ति प्रदान कर सकती है, जिससे स्वयं को विनियमित करने वाली खिड़कियां पैदा हो सकती हैं। इसके अतिरिक्त, बिल्डिंग-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स (बीआईपीवी) मानकों और प्रोत्साहनों को अपनाने के लिए विकसित किया जा रहा है, जैसे कि यूरोपीय संघ के भवनों के ऊर्जा प्रदर्शन निर्देशक (ईपीबीडी) और कैलिफोर्निया के शीर्षक 24 आवश्यकताओं के रूप में।

उभरती सामग्री और अवधारणा

अगली पीढ़ी के कोटिंग्स में क्वांटम डॉट्स, प्लास्मोनिक नैनोपार्टिकल्स और फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग कर सकते हैं ताकि प्रकाश को सबवेव लम्बाई के पैमाने पर हेरफेर किया जा सके। उदाहरण के लिए, एक ढांकता हुआ मैट्रिक्स में रजत नैनोरॉड्स को एम्बेड करने से दृश्यमान पारदर्शिता बनाए रखने के दौरान एनआईआर के लिए ध्रुवीकरण-संवेदनशील अवशोषक बना सकते हैं। MoS2 जैसी दो आयामी सामग्रियों को स्थिर, लीड-फ्री फोटोवोल्टिक्स के लिए खोजा जा रहा है। मशीन लर्निंग का उपयोग बहुपरत कोटिंग डिज़ाइनों को अनुकूलित करने के लिए भी किया जा रहा है, जो महीनों से दिनों तक विकास समय को कम करता है।

निष्कर्ष

उन्नत कोटिंग सौर खिड़कियों को टिकाऊ इमारतों का एक व्यावहारिक और आकर्षक घटक बनाने के लिए कीस्टोन हैं। ध्यान से सौर स्पेक्ट्रम को प्रबंधित करके, ये कोटिंग ऊर्जा उत्पादन, थर्मल आराम और प्राकृतिक दिन को प्रकाश देने में सक्षम बनाती हैं। जबकि स्थायित्व, लागत और सौंदर्यशास्त्र में चुनौतियों को बने रहने के लिए नैनोटेक्नोलॉजी, अनुकूली सामग्री और विनिर्माण प्रक्रियाओं में तेजी से प्रगति होती है जहां सौर खिड़कियां डबल ग्लेज़िंग के रूप में आम हैं। आधुनिक ऊर्जा संयंत्रों जैसे संस्थानों में शोधकर्ता राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा प्रयोगशाला (NREL) और Massachusetts प्रौद्योगिकी संस्थान (एमआईटी) [FLT]] को बढ़ाने वाले बिजली के लिए जारी रखने वाले ऊर्जा संयंत्रों को कम करने के लिए जारी रखा गया।

For further reading, see reviews on semi-transparent perovskite photovoltaics and nanophotonic coatings for smart windows.

]]